JPH02119578A

JPH02119578A - 圧電式アクチュエータ

Info

Publication number: JPH02119578A
Application number: JP63272158A
Authority: JP
Inventors: Akira Satake; 彰佐竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1990-05-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は圧電式アクチュエータに関するもので、特に、
半導体製造装置、ＮＣ工作機械、放電加工機、光学機械
等の各種精密機器の微動送装置または微動位置決装置に
使用される圧電式アクチュエータに関するものである。

［従来の技術］この種の微動送装置または微動位置決装置には高い精度
と速い応答性が要求されるため、モータとねじ機構とか
らなる送りまたは位置決装置とは別に、近年、圧電素子
を組込んだ圧電式アクチュエータが広く使用されるよう
になっている。そして、ＸＹステージ等の比較的中量の
大きい移動体を微動制御する装置においては、大きな発
生力が１ｑられる積層構造の圧電式アクチュエータが好
適とされている。

従来のこの種の圧電式アクチュエータとしては、第６図
乃至第９図に示すものが知られている。

第６図は積層構造の圧電式アクチュエータにおいて一般
的に使用される圧電積層体の構成を示す正面図、第７図
は第６図の圧電積層体を組込んだ第一従来例の圧電式ア
クチュエータを示す一部破断正面図、第８図は第７図と
は異なる第二従来例の圧電式アクチュエータを示す一部
破断正面図、第９図は第８図の圧電式アクチュエータの
動作説明図でおる。

第６図において、（１）は圧電積層体の全体を示し、こ
の圧電積層体（１）はそれぞれ複数の圧電素子（２）と
電極（３）とを交互に積層して構成されている。（４）
は前記圧電積層体（１）の両端に固着された絶縁層、（
５）は前記電極（３）のうち正電極と負電極とをそれぞ
れ別個に接続する一対の結線でおる。

上記した構造の圧電積層体（１）が組込まれた第一従来
例の圧電式アクチュエータについて説明する。

第７図において、（６）は圧電積層体（１）の一端面が
接合する固定部であり、前記微動送装置または微動位置
決装置の一部に固定される。（７〉は圧電積層体（１）
の他端側に配置された変位部で必り、微動送装置または
微動位置決装置の移動体等に接合または連結される。（
８）は圧電積層体（１）の中心軸方向に圧縮力を作用さ
せるボルトであり、圧電積層体（１）の中心軸に治って
貫挿されて、その先端が前記固定部（６）に螺着されて
いる。（９）は圧電積層体（１）の外周面全体を覆う外
側絶縁層、（１０〉は前記結線（５）を介して圧電積層
体（１）の各電極（３）に電圧を印加するリード線であ
る。

また、第８図に示す第二従来例の圧電式アクチュエータ
は、第一従来例と同様に、圧電積層体（１）の両端に固
定部（６）と変位部（７）とを設けるとともに、外周面
には外側絶縁層（９）を被着したものでおるが、第一従
来例とは異なり、圧電積層体（１）の周囲に配設した複
数本のボルト（８）により圧電積層体（１〉を圧縮する
ように構成されている。

次に、上記のように構成された第−及び第二従来例の圧
電式アクチュエータの動作を説明する。

圧電積層体（１）のリード線（１０）、結線（５）及び
電極（３）を介して各圧電素子（２）に直流電圧が印加
されると、各圧電素子（２）にはそれぞれ電圧の印加方
向に歪みが発生し、それらの総和により圧電積層体（１
）には全体として数ミクロンから数十ミクロンの伸びが
生じる。この伸びは印加電圧の大きざにほぼ比例するた
め、印加電圧の調整によって圧電積層体（１）の伸びを
適宜に制御することができる。また、この伸びを得るに
要する時間は数十マイクロ秒と十分に速く、しかも、電
圧を高速で印加することによって伸びを高速で制御する
ことが可能となる。

しかしながら、圧電積層体（１）の高速変位に伴い、圧
電積層体（１）の変位側の端部には大きな加速度及び減
速度が発生し、それによって、圧電積層体（１）の内部
には圧縮力と引張力とが生じる。ところが、一般に、こ
の種の積層構造の圧電（・Δ層体（１）は引張力に対す
る強度が低いため、高速化に伴って強い引張力が繰返し
て作用すると、圧電積層体（１）が破断されるおそれが
必る。

このため、上記第一従来例では単一のボルト（８）で、
また、第二従来例では複数本のボルト（８）で固定部（
６）と変位部（７）とが相互に締結されて、圧電積層体
（１）に所定の圧縮力が常時附与され、これによって、
圧電積層体（１）内部の引張力の発生が防止されている
。ただし、圧電積層体（１）の伸びを許容するために、
従来の圧電式アクチュエータにおいては、例えば、プラ
スチックボルト等の縦弾性係数が十分に小さいボルト（
８）が使用されている。

［発明が解決しようとする課題］・ところで、通常、圧電積層体（１）の変位に伴う発生力
の中心位置は、各圧電素子（２）の発生力の中心位置の
偏倚、または、圧電積層体（１）の積層誤差、或いは、
圧電式アクチュエータの給付誤差等の原因により、ボル
ト（８）の圧縮力の中心位置からずれることがある。こ
のため、圧電式アクチュエータの伸張変位時には、発生
力と圧縮力との中心位置のずれに応じた大きざの曲げモ
ーメントが圧電積層体（１）に作用する。

しかしながら、従来の圧電式アクチュエータは、上記の
ように、変位部（７）を縦弾性係数が小さいボルト（８
）で支持するように構成されているから、複数本のボル
ト（８）を使用した第二従来例の場合でさえ、圧電積層
体（１）作用する曲げモーメンにより、第９図に示すよ
うに、変位部（７）が圧電積層体（１）の中心軸に対し
傾斜した状態で変位して、その直進度が著しく低下する
ことがあった。

そこで、本発明は変位部の直進度を向上できる圧電式ア
クチュエータの提供を課題とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明にかかる圧電式アクチュエータは、複数の圧電素
子及び電極を交互に積層してなる圧電積層体と、その圧
電積層体をほぼ同一の中心軸上に収容する収容筒と、圧
電積層体の変位側端面に接合する変位部と、その変位部
と収容筒とを連結するダイヤフラム部とから構成したも
のである。

［作用］本発明においては、常にダイヤフラム部が変位部を介し
て圧電積層体に所定の圧縮力を作用させているため、圧
電積層体の内部に引張力が発生するおそれがない。そし
て、電圧の印加により圧電積層体が変位すると、それに
伴い、ダイヤフラム部が弾性変形して、変位部が圧電積
層体の中心軸方向に変位する。この場合、収容筒が大き
な横弾性係数を保有するため、変位部を高精度で直進さ
せることができる。

［実施例］以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例による圧電式アクチュエータの
一部破断正面図、第２図は第１図の底面図、第３図は第
１図の圧電式アクチュエータの作用を第−及び第二従来
例との比較において説明する作用説明図、第４図及び第
５図は本発明の別の実施例による圧電式アクチュエータ
の部分断面図でおる。

第１図乃至第３図に示す実施例において、（１）は圧電
積層体であり、第６図に基づき前述したように、それぞ
れ複数の圧電素子（２）と電極（３）とを交互に積層し
て構成されている。（１２）は図示しない微動送装置ま
たは微動位置決装置の一部に固定される固定部であり、
その中央部には前記圧電積層体（１）の一端面が接合す
る突出部（１３）が形成されている。（１４）は圧電積
層体（１）を同一の中心軸上に収容する円筒状の収容筒
であり、その一端はねじ（１５）により前記固定部（１
２）の外周部に固定されている。

（１６）は前記収容筒（１４）の他端面に接合配置され
た円形の第１圧縮部材であり、圧電積層体（１）の他端
の変位側端面に接合する変位部（１７）と、収容筒（１
４）に連続する筒状部（１８）と、変位部（１７）の外
周と筒状部（１８）の内周とを連結する薄肉のダイヤフ
ラム部（１９）とから一体に構成されている。（２０）
は前記第１圧縮部材（１６）に接合配置された第２圧縮
部材であり、第１圧縮部材（１６）とほぼ同様に、変位
部（２１）と筒状部（２２）とダイヤフラム部（２３）
とから一体に構成されている。

そして、第１及圧縮部材（１６）及び第２圧縮部材（２
０）は、圧電積層体（１）に所定の圧縮力を作用させる
ように、それらの筒状部（１８〉及び筒状部（２２）に
て共通のねじ（２４）により収容筒（１４）の他端面に
固定されている。なお、（２５）は圧電積層体（１）に
電圧を印加するリード線である。

次に、上記のように構成された本実施例の圧電式アクチ
ュエータの動作を説明する。

圧電積層体（１）に電圧が印加されない状態では、第１
圧縮部材（１６）及び第２圧縮部材（２０）の各ダイヤ
フラム部（１９）、（２３＞の弾力により変位部（１７
）、（２１）が圧電積層体（１）の変位側端面を押圧し
て、圧電積層体（１）の中心軸方向に所定の圧縮力が作
用している。この状態で、リード線（２５）を介して圧
電積層体（１）に電圧が印加されると、その印加電圧に
応じて圧電積層体（１）が伸び、それに伴い、ダイヤフ
ラム部（１９）、（２３＞の弾性変形を介して変位部（
１７）、（２１＞が変位する。そして、印加電圧が除去
されると、圧電積層体（１）の収縮変形に伴い、変位部
（１７）、（２１）がダイヤフラム部（１９）、（２３
＞の弾力により原位置に復帰される。

ところで、固定部（１２）に収容筒（１４）及びダイヤ
フラム部（１９）、（２３＞を介して変位部（１７）、
（２１）が支持された本実施例の圧電式アクチユエータ
の構造によれば、次に）ホぺる実験結果から明らかにな
るように、大きな横弾性係数を得ることができる。

第３図において、＜Ａ＞は第１従来例に相当する試験構
造体を示し、実験装置の固定部（２６）には単一のポル
１〜（８）を介して変位部（７）が支持されている。（
Ｂ）は第２従来例に相当する試験構造体を示し、前記固
定部（２６）には複数本のボルト（８）を介して変位部
（７）が支持されている。（Ｃ）は本発明の実施例に相
当する試験構造体を示し、固定部（２６）には収容筒（
１４）及びダイヤフラム部（１９）、（２３＞を介して
変位部（１７）、（２１＞が支持されている。

各試験構造体（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の固定部（２Ｇ）
から変位部（７）、（２１＞までの長さ（Ｌ）はそれぞ
れ同一の５［Ｃｍ］、試験構造体（Ｂ）のポル１〜（８
）の中心を通る直径（Ｄ＞と試験構造体（Ｃ）の収容筒
（１４）の内径（Ｄ＞は、それぞれ１０［ｃｍ］、試験
構造体（Ｃ）の変位部（１７）、（２１）の直径（ｄ）
は２［Ｃｍ］、試験ＭＡ構造体Ｃ）の一対のダイヤフラ
ム部（１つ）とダイヤフラム部（２３）間の距離（ｈ）
は２［ｃｍ］、そして、各試験構造体（Ａ）、（Ｂ）。

（Ｃ）の実線矢印方向の縦弾性係数はそれぞれ同一の２
．０ＸＩＯ７［Ｎ／ｍ］に設定されている。

前記の設定条件において、各試験構造体（Ａ）。

（Ｂ）、（Ｃ）の破線矢印方向の横弾性係数を測定して
比較すると、（Ｃ）を１とした場合、（Ａ＞は０．００
００００９３であり、（Ｂ）は０．０５８８でめった。

この結果から明らかなように、試験構造体（Ｃ）に相当
する本実施例の圧電式アクチュエータは大きな横弾性係
数を保有する。したがって、圧電積層体（１）の発生力
と圧縮部材（１６）、（２０）の圧縮力との中心位置が
一致していなくても、変位部（１７）、（２１＞は圧電
積層体（１）の中心軸方向における直進度を高精度に維
持した状態で変位することができる。

このように、本実施例の圧電式アクチュエータは、複数
の圧電素子（２）及び電極（３）を交Ｈに積層してなる
圧電積層体（１）と、その圧電積層体（１）の一端面が
接合される固定部（１２）と、その固定部（１２）に一
端面が固定されるとともに、内部に圧電積層体（１）を
ほぼ同一の中心軸上に収容する収容筒（１４）と、その
収容筒（１４）の他端面に重合状態で固定された第１及
び第２圧縮部材（１６）、（２０）とから構成され、第
１及び第２圧縮部材（１６）、（２０）には、収容筒（
１４）に連続する筒状部（１８）。

（２２）と、圧電積層体（１）の変位側端面によりその
中心軸方向に変位される変位部（１７）。

（２１）と、その変位部（１７）、（２１＞の外周面と
筒状部（１８）、（２２＞の内周面とを連結する薄肉の
ダイヤフラム部（１９）、（２３＞とをそれぞれ一体に
形成したものである。

したがって、上記実施例によれば、収容筒（１４）と一
対の筒状部（１８）、（２２）とにより構成される筒状
体が大きな横弾性係数を保有するため、第２圧縮部材（
２０）の変位部（２１）は、直進度を高精度に維持した
状態で、圧電積層体（１〉の中心軸方向に変位すること
ができる。また、本実施例の圧電式アクチュエータは第
１及び第２の一対の圧縮部材（１６）、（２０＞を備え
ているため、仮に、各圧縮部材（１６）、（２０＞に製
作誤差があった場合でも、それらの誤差が相殺されて、
変位部（２１）の直進精度が向上する。

ところで、上記実施例の圧電式アクチュエータにおいて
は、圧縮部材’（１６）、（２０）と収容筒（１４）と
がそれぞれ別体に構成されているが、本発明を実施する
場合には、これに限定されるものではなく、第４図に示
すように、収容筒（１４）の他端に薄肉の連結部（２８
）を介してダイヤフラム部（２９）を一体形成し、その
ダイヤフラム部（２９）の中央部に変位部（３０）を設
けてもよい。これによっても、上記実施例と同様に、変
位部（３０）の直進精度を向上できるとともに、部品点
数を削減して、組付誤差を減少できるという効果が得ら
れる。

また、上記実施例では、収容筒（１４）に二枚の圧縮部
材（１６）、（２０）が重合連結されているが、本発明
を実施する場合には、これに限定されるものではなく、
三枚以上の圧縮部材を重合して、より高い精度で変位部
を直進変位させることもできる。

更に、上記実施例では、圧縮部材（１６）。

（２０）が変位部（１７）、（２１＞、筒状部（１８）
、（２２＞及びダイヤフラム部（１９）。

（２３〉から構成されているが、本発明を実施する場合
には、これに限定されるものではなく、第５図に示すよ
うに、圧縮部材（３１）をダイヤフラム部（３２）と変
位部（３３）とからのみ構成し、その圧縮部材（３１）
を収容筒（１４）と保持環（３４）とにより挾持するこ
とも可能である。

この場合、前記ダイヤフラム部（３２）の外周部を収容
筒（１４）の尖鋭部（３５）と、保持環（３４）の尖鋭
部（３６）とで挾持すれば、ダイヤフラム部（３２）の
可撓性を向上することができる。

加えて、第１図、第４図及び第５図に示した各実施例で
は、変位部（１７）、（２１）、（３０）（３３）がダ
イヤフラム部（１９）、（２３＞。

（２９）、（３２）と一体的に形成されているが、本発
明を実Ｍする場合には、これに限定されるものではなく
、変位部とダイヤフラム部とを別体品で構成することも
できる。

なお、上記実施例の圧電式アクチュエータは固定部（１
２）を備えるものであるが、圧電積層体（１）及び収容
筒（１４）の一端を微動送り装置または微動位置決め装
置側の固定部に直接固定できる使用態様においては、圧
電式アクチュエータそれ自身の固定部を省略して実施す
ることが可能である。

［発明の効果］以上のように、本発明の圧電式アクチュエータは、複数
の圧電素子及び電極を交互に積層してなる圧電積層体と
、その圧電積層体をほぼ同一の中心軸上に収容する収容
筒と、圧電積層体の変位側端面に接合する変位部と、そ
の変位部と収容筒とを連結するダイヤフラム部とから構
成したものであるから、常に、ダイヤプラム部が変位部
を介して圧電積層体に所定の圧縮力を作用させており、
圧電積層体の内部に引張力が発生するおそれがなく、か
つ、電圧の印加により圧電積層体が変位すると、それに
伴ってダイヤフラム部が弾性変形して、変位部が圧電積
層体の中心軸方向に変位し、更に、収容筒が大きな横弾
性係数を保有するため、圧電式アクチュエータの横弾性
係数を大きくして、圧電積層体の中心軸方向における変
位部の直進精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による圧電式アクチュエータの
一部破断圧面図、第２図は第１図の底面図、第３図は第
１図の圧電式アクチュエータの作用を第−及び第二従来
例との比較において説明する作用説明図、第４図及び第
５図は本発明の別の実施例による圧電式アクチュエータ
の部分断面図、第６図は圧電積層体の構成を示す正面図
、第７図は第一従来例の圧電式アクチュエータを示す一
部破断圧面図、第８図は第二従来例の圧電式アクチュエ
ータを示す一部破断正面図、第９図は第８図の圧電式ア
クチュエータの動作説明図である。図において、１：圧電積層体、　　　２：圧電素子、３：電極、　　
　　　１４：収容筒、１７．２１，３０，３３：変位部、１９．２３，２９，３２：ダイヤフラム部、である。なお、図中、同−符号及び同一記号は同一または相当部
分を示すものである。代理人　弁理士　大吉　増雄　外２名第２図第５図手続補正書（自発）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　複数の圧電素子及び電極を交互に積層してなる
圧電積層体と、前記圧電積層体をほぼ同一の中心軸上に
収容する収容筒と、前記圧電積層体の変位側端面に接合
する変位部と、前記変位部と収容筒とを連結するダイヤ
フラム部とを具備することを特徴とする圧電式アクチユ
エータ。